試談新型抽油機平衡度測試儀的研制方法與現場應用效果

朱益飛

中國石化勝利油田分公司孤東采油廠（山東東營257237）

試談新型抽油機平衡度測試儀的研制方法與現場應用效果

朱益飛

中國石化勝利油田分公司孤東采油廠（山東東營257237）

在此則介紹了一種新型電能法平衡度測試儀的設計思路、工作原理、研制過程、現場操作方法、抽油機平衡塊調整估算以及現場應用情況等，新研制的測試儀采取電能法測試原理，其在價格、使用方便程度以及可靠性、耐用性等各方面都與電流法的鉗形電流表相當，而準確度與功率法測試儀器一致，具有很高的推廣應用價值。

抽油機平衡度測試儀負功率電能表平衡塊

游梁式抽油機是原油生產的主要設備，其設備成本和耗電量占生產成本的比重非常大，而游梁式抽油機工作處于平衡狀態有非常重要的意義，其平衡度是油田生產中抽油機運行評價的一項重要參數，涉及到抽油機運行效率、節能及使用壽命等問題。因此保持抽油機平衡運行以及對不平衡井進行平衡調整便成為油田很重要的一項基礎管理工作。

長期以來，各油田一直延用電流法進行抽油機平衡測試，[1]但在實踐中人們發現此法存在2個問題：一是電流法與抽油機平衡的理論定義差距較大；二是電流法所用鉗形電流表無法區分電流的相位，當抽油井含有較大負功時容易產生虛假平衡問題（對于不平衡抽油機均存在倒發電現象，即存在負功率問題）。針對電流法平衡測試存在的上述問題，一些地方采用各種類型的功率法平衡測試儀在進行現場測試，從總體上來看這些儀器雖然測試準確率較高（都在1級以上），但存在價格較高、操作復雜，要求現場測試的數據多，攜帶不方便，可靠性及耐用性較差，故障率高等問題,使得功率法抽油機平衡測試儀難以得到廣泛應用,大部分采油隊仍采用電流法測試。為此，我們提出了研制新型電能法平衡度測試儀的想法。

1 新型抽油機平衡度測試儀的研制過程

1.1 新型測試儀器的設計思路

游梁式抽油機的平衡運行狀態就是指電動機在上沖程和下沖程中都做正功且相等。這就是說，抽油機是否平衡，可以通過電動機在上沖程和下沖程中的輸出電能是否相等來加以判斷，而電動機的輸出電能與輸入電能成正比。由此可得出抽油機平衡度的2種表示形式：

（1）分別測量運行中的電動機在驢頭的上沖程和下沖程中所耗電能，用兩值中的小者與大者相比，其比值即為抽油機平衡度，用百分度表示：

（2）分別測量運行中的電動機在驢頭的上沖程和下沖程中所耗電能，用下沖程消耗的電能與上沖程消耗的電能相比，其比值作為抽油機平衡度，用百分度表示：平衡度所采用的公式，是根據嚴格的理論定義推導出來的，它綜合考慮了反映抽油機平衡的各個要素，因此能夠真實地反映抽油機的平衡狀況。

1.2 工作原理

根據上述設計思路，新研制的抽油機平衡度測試儀采用電能法工作原理。所謂電能法平衡測試就是分別測量運行中的電動機在驢頭的上沖程和下沖程中所耗電能，用兩者的比值作為平衡度，用百分度表示。目前游梁式抽油機電能法平衡率有2種表示形式：①分別測量運行中的電動機在驢頭的上沖程和下沖程中所耗電能，用兩值中的小者與大者相比，其比值作為平衡度，用百分度表示；②分別測量運行中的電動機在驢頭的上沖程和下沖程中所耗電能，用下沖程消耗的電能與上沖程消耗的電能相比，其比值作為平衡度，用百分度表示[2]。

公式（1）和公式（2）中的平衡度是通過測試游梁式抽油機上沖程和下沖程三相電動機所耗的三相電能而得出的。由于油田生產現場變壓器負載單一，均為三相電動機，故游梁式抽油機井電機三相對稱度較好,不存在嚴重偏相問題,通過實施對電動機上沖程和下沖程的單相電能進行計量，用上沖程和下沖程的單相電能代替公式（1）和公式（2）中的三相電能參加運算,其得到的游梁式抽油機電能平衡度結果應該是完全一致的。

1.3 抽油機平衡度測試儀的研制

測試儀器采用機械轉盤式單相電能表作為主要部件,并對其進行技術改造，所選電能表的準確度等級為1級,標定電流為2.5A,最大電流為5A,電表常數為1 200r/kW·h。

對單相電能表進行以下幾個方面的技術改造：

（1）將電壓線圈與電流線圈的外部連接片去掉,使電壓線圈與電流線圈相互獨立。

（2）打開玻璃外殼,將單相機械式電能表的字輪式計度器卸下。

（3）電能表機械轉盤的直徑大約是10cm,其周長大約為31.4cm,以人眼能夠較好分辨為前提,將轉盤圓周分為180等份,并標上刻度線和相應數碼。機械轉盤經改造后的俯視圖如圖1所示。

由圖1所示的刻度方式,我們可知圖中標尺的分度值為2度/格,而數據估讀的最大誤差為1/2格,于是整個標尺由估讀而產生的引用誤差的最大值為此估讀誤差與電能表的誤差限1%相比較可看成微小誤差。

圖1 機械轉盤府視圖

（4）單相電能表電壓線圈的輸入采樣電壓,采用人工中點的方法獲得A相的相電壓。

單相電能表電流線圈的輸入采樣電流,采用帶活動開口的鉗式電流互感器方式。

整個單相電能表的測量接線原理如圖2所示。

圖2中O為人工中點，這樣可使加到單相電能表電壓線圈上的電壓為A相的相電壓，3個電阻的電阻值都為1MΩ，它們所消耗的電能可忽略不計。

（5）在電能表內部原字輪式計度器的位置處,安裝一個固定指針,以便轉盤轉動時能準確地指示刻度。

經上述改造后,單相機械式電能表就可計量抽油機上沖程和下沖程的單相電能,從而可計算出游梁式抽油機的電能平衡度。通過選用合適的電能表常數以及鉗式電流互感器的變比,以使所要測試的采油區塊最大功率的游梁式抽油機和最小功率的抽油機,在上沖程或下沖程所耗電能都能落在轉盤轉動一周的范圍內，鉗式電流互感器可以設計成2種不同的變比類型,以適應不同的采油區塊,它們是100A/5A鉗式電流互感器和50A/5A鉗式電流互感器。

將改造后的單相電能表垂直固定在一個小的儀器盒中,在儀器盒的上方留出觀察讀數的窗口，這樣一個新型的測量游梁式抽油機電能平衡度的測試儀器就全部研制完畢。

2 新型抽油機平衡度測試儀現場應用效果

2.1 現場操作方法

（1）將測試儀器垂直放在水平地面上；

（2）打開抽油機控制柜,將儀器的鉗式電流互感器套入A相火線；

（3）將儀器的3個電壓接線夾對應接到三相電源的3個火線接線端子上；

（4）記錄抽油機從上死點到下死點電能表轉盤正向累積所轉過的刻度數,以便計算下沖程單相電能；

（5）記錄抽油機從下死點到上死點電能表轉盤正向累積所轉過的刻度數,以便計算上沖程單相電能。

要特別注意含有負功的抽油機井,若抽油機下沖程含有負功,則在下沖程的時間段內分別記錄電能表轉盤正向累積所轉過的刻度數以及電能表反向累積所轉過的刻度數,正向累積所轉過的刻度數用以計算下沖程的累積單相電能,而反向累積所轉過的刻度教用以計算下沖程所含的負功。同理可處理抽油機上沖程含有負功的情況。

2.2 抽油機平衡塊調整尺度的估算

根據抽油機平衡度的定義：抽油機平衡運行狀態，就是指電動機在上沖程和下沖程中都做正功且相等。抽油機不平衡是因為抽油機在上沖程和下沖程所做的功不相等。假設上沖程所做的功大（對下沖程所做的功大，可作同樣的分析），若用A上、A下分別表示上沖程和下沖程所做的正功，那么上沖程和下沖程的功耗差＝（A上－A下）。如果通過移動平衡塊使上沖程減少功耗（A上－A下）／2，那么下沖程將增加功耗（A上－A下）／2。這樣一來，上下沖程的功耗正好相等，抽油機也就平衡了。根據這個思路，可推出平衡塊調整尺度的估算最大值公式如下：

式中，ΔL就是若讓抽油機達到理想平衡狀態時平衡塊應移動的最大尺度，而A上、A下可分別由新型抽油機平衡度測試儀器測出的上沖程和下沖程的累積單相電能乘以3獲得，G則為平衡塊的總重量。

對于不平衡抽油機，由于抽油機存在較大的負功，要消除負功的影響，則可得出平衡塊調整尺度的估算最小值公式如下：

式中，ΔL1就是若讓抽油機達到理想平衡狀態時平衡塊應移動的最小尺度，而A-可由新型抽油機平衡度測試儀器測出的上沖程和下沖程的單相負功乘以3獲得。

一般情況下，可以取抽油機平衡塊應移動的最大尺度和最小尺度二者的平均值作為平衡塊調整尺度的估算值。

2.3 現場應用情況

下面以勝利油田某油井為例對現場應用情況進行分析和說明。

該油井在電能法平衡測試與平衡調整前,單相電流峰值不超過50A,則選用平衡測試儀器的鉗式電流互感器的變比為50A/5A，所測出的參數如下：

下沖程累積轉過的正向刻度數：123個刻度；

下沖程累積轉過的反向刻度數：0；

上沖程累積轉過的正向刻度數：8個刻度；

上沖程累積轉過的反向刻度數：37個刻度。

對上述測量參數進行計算以換算成上下沖程的單相電能值：

首先,下沖程累積轉過的正向刻度數為123個刻度,由于鉗式電流互感器的變比為50A/5A=10，而我們選擇的電能表常數為1 200r/kW·h，且轉盤一周的總刻度數為180。

據此,下沖程的正向累積單相電能計算式如下：

(123/180)×(1/1 200)×10=0.005 69（kW·h）；

下沖程單相負功為0.000 00（kW·h）。

同理，上沖程正向累積單相電能計算式如下：

(8/180)×(1/1 200)×10=0.003 7（kW·h）。

上沖程單相負功計算式如下：

(37/180)×(1/1 200)×10=0.001 71（kW·h）；

抽油井的平衡度=(0.005 69×3)/(0.001 71×3-0.000 37×3)×100=424.1(%)。

由此可見,此井上沖程含有較大負功,抽油機平衡度嚴重偏離正常要求,屬于嚴重不平衡井。觀察此井的平衡塊數為2塊,且2塊平衡塊的位置都處在曲柄的最外端,平衡塊單塊重量為1.2t。由于該油井的上沖程含有較大負功,所以平衡塊的調整方向為向內調整。

根據前面平衡塊調整尺度的計算公式,可對平衡塊的調整尺度進行計算,在使用計算公式進行預測時,要注意G應為2塊平衡塊的總重量,而上沖程和下沖程的單相電能應乘以3以轉化為上沖程和下沖程的3相電能,同時還要注意將公式中的各種數據都轉化成法定的米制單位,最終我們有：

取平衡塊調整尺度的最大值和平衡塊調整尺度的最小值2個值的平均值為0.404m。按此尺度對平衡塊進行調整,調整后3～4h,等油井運行情況穩定后,重新對此井進行平衡測試,所測出的參數如下：

下沖程累積轉過的正向刻度數：46個刻度；

下沖程累積轉過的反向刻度數：0；

上沖程累積轉過的正向刻度數：49個刻度；

上沖程累積轉過的反向刻度數：0個刻度。

對上述測量參數進行計算以換算成上下沖程的單相電能值：

下沖程累積正向單相電能：0.002 13kW·h；

下沖程單相負功：0.000 00kW·h；

上沖程累積正向單相電能：0.002 23kW·h；

上沖程單相負功：0.000 00kW·h。

該油井調整后抽油井的平衡度=（0.00213×3）/（00223×3）×100=93.9(%)。

通過上述數據可以看出,該油井經平衡調整后負功完全消除,上沖程和下沖程的電能差別大幅度縮小,因此平衡效果大幅度改善，抽油機平衡度由原來的424.1%調整到93.9%，完全滿足了油井生產要求。經統計，該油井日耗電量由調整前的229.8kW·h下降到調整后的148.1kW·h，日節能達81.7kW·h，節電效果明顯。

3 結語

平衡測試與平衡調整有其自身的特點,平衡測試的最終目的是平衡調整,平衡測試儀器的準確度應與平衡調整的要求相適應,而新研制的電能法抽油機平衡度測試儀器，以其體積小、價格低、操作簡單、維修方便，并與油田現實相適應的特點，它既具有電流法操作簡單、使用方便的優點，又具有功率法測試儀器測量準確，便于平衡調整和快速調整到位的優點，完全能滿足油田生產現場調平衡的測試要求，具有很高的推廣應用價值。

[1]朱益飛,張衛東.OEC微電腦采油控制器在中低產油田中的應用[J].計量技術,2005(7):35-37.

[2]郭富祿,周明卿,尹強,等.游梁式抽油機二次平衡技術的應用[J].石油礦場機械2004(3):76-78.

The paper introduces a new equilibrium test instrument of electrical energy,including its design idea,working principle,developing process,on-site operating methods,the estimation on counter weight adjustment of pumping unit,and the state of on-site application.New developed test instrument is based on the testing principle of electrical energy,which is not only equal to the tong ammeter of electrical current at the aspects of price,convenience of application,reliability,and the endurance,but also is similar to the instrument of power in the aspect of accuracy,thus having high value of popularization and application.

well pumping unit;equilibrium;testing instrument;negative power,electrical energy meter;counter weight

2010-02-10▎

朱益飛（1967-），男，高級工程師，主要從事技術質量監督工作